中学受験理科の電磁石—巻数と電流を分けて強さを比べる実験の読み方｜武蔵野個別指導塾

巻数と電流を同時に変えた表では原因を決められません。比べる組と極の変化から読み解く電磁石です。

電磁石の問題では、結果の数を見る前に、何を変えて何をそろえたかを見ます。巻数が多く、電流も大きい装置で多くの鉄くぎがついても、その結果だけでは、どちらの変更が原因か決められません。よくあるのは、小5のお子さまが電流と巻数を同時に変えた表を見て、巻数を増やしたから強くなったと答える場面です。比べる2行の違いを先に探すと、言えることと言えないことを分けられます。

問われ方は主に3つあります。1つ目は、巻数のちがいによる強さを調べるために、表のどの2つを比べるかという問題です。2つ目は、電流の向きを逆にしたとき、電磁石の両端の極（きょく）がどう変わるかという問題です。3つ目は、複数の条件が変わった結果から、結論を出せるかを判断する問題です。どれも、図の形や数字の大小だけでなく、条件の対応を読む力が必要です。

コイルのどこを見ればよいか

導線を輪にして重ねたものをコイルといいます。鉄の棒をコイルの中に入れたものが鉄心（てっしん）です。電流が流れると鉄心は磁石のように働き、両端にN極とS極ができます。電流を止めると、磁石としての働きは弱くなります。鉄心の材質や形をそろえずに比べると、巻数や電流の差による結果かどうかがわかりません。

図1のように、巻数は導線が鉄心のまわりを巻いた回数です。電流の大きさは電流計で読み、単位にはアンペアを使います。向きと大きさは別の条件です。同じ大きさでも向きが逆なら、極の配置は変わります。図では鉄心とコイルの位置関係を示しています。図1では鉄心の位置と巻数の意味を確かめます。極を答える問題では、別に与えられた電流の向きと極の組を基準にしてください。

強さを調べる問題では、同じ種類の鉄くぎを同じ方法で近づけ、ついた本数を比べる場合があります。本数が多い結果を、その測り方における強さの目安として使います。ただし、くぎの形や近づけ方まで変わると公平に比べられません。磁石が引きつける力を本数だけで正確な数値に換算したり、巻数を2倍にすれば必ず本数も2倍になると決めたりしないことが大切です。

極を考えるときには、まず問題に与えられた向きと極の組を基準にします。同じコイルで電流の向きだけを逆にすると、N極とS極は入れ替わります。電流の向きも巻き方も逆にした場合は、片方ずつ変えた結果を順にたどります。見た目が左右反転した図では、見る向きも確認します。

条件をそろえる理由

たとえば、同じ鉄心に巻いたコイルでも、くぎを近づける位置が違えば、ついた本数を単純に比べにくくなります。くぎの大きさや材質も同じにして、同じ位置で同じように調べた結果を見る必要があります。問題文に「他の条件は同じ」とあれば、その条件を保った比較です。書かれていない結果を、自分の想像で付け加える必要はありません。

巻数を調べる場合、電流の大きさが同じであることは電池の数だけでは判断しません。コイルの条件が変われば流れる電流も変わることがあるため、問題に示された電流計の値を読みます。電池の数が同じという情報と、電流の大きさが同じという情報を区別します。電流をそろえたと明記されているか、表の値を確かめることが出発点です。

また、電流の向きは極を考えるための情報です。強さを比べる問題と極を答える問題を続けて解くと、どの条件を使うかが混ざりがちです。強さなら巻数、電流の大きさ、鉄心と測り方を整理し、極なら巻き方と電流の向きをたどります。1つの図に情報が多くても、問いに必要な欄から順に見れば整理できます。

比べる2行を選ぶ

次の表は、同じ鉄心と同じ種類の導線を使い、同じ方法で鉄くぎを近づけたときの、問題で与えられた結果です。電流の向きは同じです。電流の大きさは電流計で測り、各行の値に調整されています。

例題は、巻数の違いによる結果を調べる組を選び、その結果を説明する問題です。装置の記号と本数を整数で答えます。図2のように、表の巻数と電流を別々の列として追います。

まずAとBの電流を見ます。どちらも0.2アンペアです。次に巻数を見ると、100回と200回で異なります。鉄心なども同じなので、AとBを選びます。

Aの鉄くぎは4本です。 Bの鉄くぎは7本です。 7 − 4 = 3本です。 したがって、この条件では巻数が200回のBは、100回のAより3本多くつきました。

ここで答えを「巻数が2倍なので強さも2倍」としないでください。表の本数も2倍ではなく、与えられた結果が示すのは、この組でBの本数が多かったことです。表にない巻数や電流の結果を、同じ割合で勝手に延ばすことはできません。数を引く前に比較する組を決めると、計算した差に意味を持たせられます。

BとCは巻数が同じで、電流の大きさが違います。この組は、電流の大きさによる結果を調べるときに使えます。AとCは巻数も電流も違うので、どちらか一方の影響を取り出す組にはできません。同じ表でも、何を調べたいかによって選ぶ行は変わります。

極と強さを別々にたどる

次の装置Dは、あるコイルに電流を流したとき、左端がN極、右端がS極になりました。装置EはDと同じ鉄心、同じ巻数、同じ巻き方で、電流の大きさも同じですが、電流の向きだけが逆です。左右の極を答えてください。

電流の向きだけを逆にするので、Eでは両端の極が入れ替わります。左端がS極、右端がN極です。左右のどちらか一方だけを書き換えると、両端が同じ極になってしまいます。もとの左右の極を先に書き、両方を入れ替えてから答えを点検します。

さらに、装置FではDに対して電流の向きとコイルの巻き方の両方を逆にし、他の条件は同じとします。電流の向きだけを逆にしたEで極は一度入れ替わります。そこから巻き方も逆にすると、鉄心のまわりを流れる電流の向きがもう一度逆になり、極はDと同じ配置に戻ります。Fの左端はN極、右端はS極です。2つの変更を一度に眺めるより、片方ずつたどる方が確かです。

ただし、極が同じ配置に戻ることと、くぎが何本つくかは別の問いです。極の向きについての条件だけから、測っていない本数は決められません。問題が示す観察結果と、向きの規則で判断できることを混ぜないようにします。

変化が2つあるときの言い直し

図3のように、巻数と電流が両方異なる2つを比べ、「巻数を増やしたから強くなった」と答えるのは誤りです。結果に差があっても、電流の変化が影響した可能性を切り分けられないからです。表の中から電流が同じ2行を探し、巻数だけを比べる組に直します。

もう1つの誤りは、電流の向きを逆にしただけで、巻数も逆になったと読み替えることです。電池の向きの変更とコイルの巻き方の変更は別です。問題文に書かれた変更箇所に印を付け、書かれていない条件は勝手に変えずにたどります。

表に適切な組がないときは、無理に原因を決めません。巻数による違いを調べるなら、同じ鉄心、同じ電流、同じ測り方で、巻数だけが異なる結果が必要です。結果を予想して埋めるのではなく、必要な比較の条件を答えます。これは答えをあきらめることではなく、表から言える範囲を守る判断です。

表の外へ結論を広げない

実験の表は、載っている条件で得られた結果を示します。2行の数字が増えていても、その間や外側の値まで同じ調子で増えると決めることはできません。特に、くぎの本数は整数で数える観察結果で、電磁石の力をそのまま表す連続した目盛りではありません。どの条件で何本だったかを、そのまま言葉にすることから始めます。

比較する組が複数ある表では、選んだ2行に丸を付けてから、同じ欄と違う欄を読み上げます。調べる条件以外が1つでも違えば、その2行からは影響を切り分けられません。測定の結果が同じだった場合も、条件を確認した上で、その組では本数に差が見られなかったと述べます。すべての条件で差がないという結論へ広げないようにします。

極の図では、コイルを裏側から見た図と手前から見た図をそのまま重ねると、巻く向きの見え方が逆になります。まず鉄心の左右を決め、どちらから見ているかを確認し、導線のつながりをたどります。基準の装置が与えられていれば、変更点だけを追うと、向きの読み違いを見つけやすくなります。

自分で条件を選ぶ問題

いずれも紙の上の結果です。電流の向き、鉄心、くぎの種類と近づけ方は各問題の中で同じとします。指定された形で答えてから、後の解答と照らしてください。

問題1

装置Pは巻数300回、電流0.3アンペアで鉄くぎが6本、装置Qは巻数400回、電流0.3アンペアで9本つきました。巻数の違いを調べる組を記号で答え、ついた本数の差を整数と単位で答えてください。

問題2

装置Rは巻数150回、電流0.1アンペア、装置Sは巻数250回、電流0.5アンペアです。Sの方が多く鉄くぎを引きつけました。巻数が原因と決められるか答え、理由と、巻数の影響を調べるためにそろえる条件を書いてください。

問題3

装置Tの左端がS極、右端がN極です。鉄心、巻数、巻き方、電流の大きさを変えずに、電流の向きだけを逆にした装置Uの左右の極を答えてください。

問題4

同じ鉄心と巻き方の装置VとWでは、巻数がともに500回です。Vの電流は0.6アンペアで鉄くぎが12本、Wは0.8アンペアで15本ついたとします。電流の大きさについて、この結果から言えることを、装置の記号と整数の本数を使って書いてください。表にない電流の結果も決められるか考えます。

解答と考え方

問題1の答え

PとQ、差は3本です。両方の電流が0.3アンペアで、変わる条件は巻数です。Qの9本からPの6本を引くと、9 − 6 = 3本です。この組では巻数の多いQの方が3本多くつきました。差の計算が合っていても、電流が同じかどうかを確認していなければ、巻数についての比較として使えるか判断できません。

問題2の答え

巻数が原因と決めることはできません。RとSは巻数と電流の大きさが両方異なるからです。巻数の違いを調べるには、鉄心や測り方に加えて、電流の大きさと向きをそろえ、巻数だけを変えた組が必要です。たとえばRと同じ電流で巻数だけが異なる装置の結果があれば、Rと比較できます。その結果が何本になるかは、この問題からは決められません。

問題3の答え

Uの左端はN極、右端はS極です。Tの左端のS極と右端のN極を、それぞれ入れ替えます。巻き方まで変えたという条件はないため、もう一度入れ替えてはいけません。図を描いて左右に文字を書き込み、両端が入れ替わっているか確認します。

問題4の答え

与えられた条件では、電流が0.8アンペアのWは、0.6アンペアのVより3本多くつきました。15 − 12 = 3本です。巻数とその他の条件が同じなので、電流の大きさを変えた組として比べられます。ただし、この2行から表にない電流での本数や、電流と本数がいつも比例することは決められません。結論には、比べた条件を添えます。

最後に残す4つの目印

巻数を比べるときは、電流と鉄心などをそろえます。
電流を比べるときは、巻数と鉄心などをそろえます。
同じ巻き方で電流の向きを逆にすると、両端の極が入れ替わります。
くぎの本数は、同じ測り方で得た結果の範囲で読みます。

家で表を見直すとき

お子さまが答えを急いだら、正しい組をすぐに示す前に、比べたい条件の列に印を付けてもらいます。続けて、残る列の値が同じかを2行ずつ指で追います。同じでなければ、その組では何が一緒に変わっているかを言葉にします。極の問題なら、もとの左右を書いてから、問題が変えた条件に印を付けます。

差を計算できても、選んだ組が不適切なら原因の説明には使えません。反対に、適切な組が表になければ、足りない条件を言えることが読み取りの成果です。表の2行に戻り、変えた条件を1つに絞ることが、電磁石の結果を確かに読む手がかりです。